文/李寶 金文 夏黃蓉 徐進(jìn) 王強(qiáng)

隨著飛行器的發(fā)展，人們對(duì)提高飛行器有效載荷占比越來(lái)越重視，希望能夠降低其他系統(tǒng)重量來(lái)提高有效載荷占比。遙測(cè)系統(tǒng)是飛行器的重要組成部分，需要測(cè)量多達(dá)上百個(gè)的環(huán)境參數(shù)，這就需要多個(gè)采集設(shè)備對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，當(dāng)前傳輸遙測(cè)系統(tǒng)一般采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸或總線式的體制，但這都需要使用大量的電纜來(lái)連接這些設(shè)備，這些電纜不僅占用了大量的空間，重量甚至超過(guò)了遙測(cè)系統(tǒng)總重的三分之一。本文提出一種基于電力線通信的遙測(cè)系統(tǒng)，將供電線作為信號(hào)的傳輸通道，大大減少了電纜的數(shù)量，從而為飛行器提供了可觀的重量和空間。

1 遙測(cè)系統(tǒng)的方案

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

飛行器遙測(cè)系統(tǒng)是用于測(cè)量飛行器飛行全程的環(huán)境和電量參數(shù)，一般由環(huán)境參數(shù)傳感器、遠(yuǎn)置采集單元、接口變換設(shè)備、中心控制器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)綜合器、發(fā)射機(jī)和天線組成，由于飛行器測(cè)點(diǎn)較多并且分布較廣，需要多個(gè)遠(yuǎn)置采集單元和接口變換設(shè)備分別采集相應(yīng)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。本方案中，中心控制器、遠(yuǎn)置采集單元、接口變換設(shè)備、存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)綜合器均需要增加電力線通信接口，以中心控制器為主設(shè)備，其他設(shè)備為從設(shè)備建立系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)所有動(dòng)作均由中心控制器發(fā)起，中心控制器按固定時(shí)序依次接收各個(gè)遠(yuǎn)置采集單元和接口變換設(shè)備的數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行編幀同時(shí)發(fā)送至存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)綜合器進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸，由于電力線通信接口為全雙工接口，因此中心控制器能夠同時(shí)接收遠(yuǎn)置采集單元的數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)綜合器。

1.2 電力線通信接口設(shè)計(jì)

本方案中電力線通信是關(guān)鍵技術(shù)，其雖然優(yōu)點(diǎn)突出，但供電線纜畢竟不是專用通信信道，用電設(shè)備種類和數(shù)量均較多，信道較為惡劣，噪聲大、多徑效應(yīng)明顯。而正交頻分復(fù)用（OFDM）從原理上就有較好的抗多徑和干擾的能力，它能夠把信息靈活的分配到不同的載波頻帶，從而在克服窄帶干擾和頻率選擇性衰落方面具有很強(qiáng)的魯棒性，并且它與前向糾錯(cuò)碼的結(jié)合也可很好的克服脈沖噪聲干擾。因此本方案選擇航天中電公司的HZ3001和HZ3011芯片實(shí)現(xiàn)電力線通信功能，主設(shè)備使用HZ3001，從設(shè)備使用HZ3011，上述芯片集成了靈活可靠的PLC MAC、基于OFDM調(diào)制解調(diào)的PLC PHY，它能提供高達(dá)10Mbps的電力線信號(hào)傳輸速率，頻率寬度100KHz～30MHz，并且具備全雙工工作的能力。本系統(tǒng)中的中心控制器使用HZ3001，其他從設(shè)備使用HZ3011，這兩款芯片尺寸為8mm×8mm，外圍電路簡(jiǎn)單，單面布板占用的面積僅為40mm×40mm。

1.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

圖4：狀態(tài)碼格式

圖5：中心控制器到從設(shè)備數(shù)據(jù)傳送示意圖

圖6：從設(shè)備到中心控制器數(shù)據(jù)傳送示意圖

圖7：從設(shè)備間數(shù)據(jù)傳送示意圖

系統(tǒng)框架搭建完成后，需要一個(gè)可靠的通信協(xié)議來(lái)保證設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，本文參?553B通信協(xié)議設(shè)計(jì)了一種可靠的通信協(xié)議。系統(tǒng)中處理的基本信息是數(shù)據(jù)幀，一個(gè)數(shù)據(jù)幀由控制碼、狀態(tài)碼和0～256個(gè)數(shù)據(jù)碼組成。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷接?種，其中，中心控制器發(fā)送數(shù)據(jù)至從設(shè)備，中心控制器接收從設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)中心控制器和從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，而從設(shè)備接收或發(fā)送數(shù)據(jù)給另一個(gè)從設(shè)備實(shí)現(xiàn)兩個(gè)從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，所有的數(shù)據(jù)通信都是在中心控制器的控制下完成的?？刂拼a用于中心控制器對(duì)通信或從設(shè)備進(jìn)行控制管理。其幀格式如圖2所示。

控制碼由從設(shè)備地址字段、T/R位、數(shù)據(jù)字計(jì)數(shù)及奇偶校驗(yàn)位組成。從設(shè)備地址是用來(lái)指定從設(shè)備的一個(gè)專有地址，由7bit組成，總線上最多可以負(fù)載128個(gè)從設(shè)備。在從設(shè)備地址后的一位是T/R位，即發(fā)送/接收位。它表示要求從設(shè)備的操作，邏輯0表示從設(shè)備做接收操作，邏輯1表示從設(shè)備做發(fā)送操作。在T/R位后的8位，用來(lái)表示從設(shè)備發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)字的個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最多為256。最后一位是前16位的奇偶校驗(yàn)。

數(shù)據(jù)碼如圖3所示，由16 bit的數(shù)據(jù)字段和1bit的校驗(yàn)位組成，一幀數(shù)據(jù)最多有256個(gè)數(shù)據(jù)碼組成。

狀態(tài)碼如圖4所示，由從設(shè)備地址字段、幀差錯(cuò)位、服務(wù)請(qǐng)求位、備用位及奇偶校驗(yàn)位組成，從設(shè)備通過(guò)發(fā)送狀態(tài)碼給中心控制器以反饋?zhàn)陨頎顟B(tài)，當(dāng)收到中心控制器的控制碼或者數(shù)據(jù)碼有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)將幀差錯(cuò)位置1，當(dāng)從設(shè)備需要服務(wù)將請(qǐng)求服務(wù)位置為1，要求中心控制器啟動(dòng)與本從設(shè)備有關(guān)的預(yù)定操作。

本遙測(cè)系統(tǒng)中所有的通信全部有中心控制器設(shè)備發(fā)起，其他從設(shè)備響應(yīng)，中心控制器發(fā)出一個(gè)接收控制碼及規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)碼到從設(shè)備，從設(shè)備在接收到該幀之后，返回一個(gè)狀態(tài)碼給中心控制器，控制碼和數(shù)據(jù)碼之間沒(méi)有碼間間隔的連續(xù)形式發(fā)出，如圖5所示。

中心控制器向從設(shè)備發(fā)出一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)控制碼，該從設(shè)備在校驗(yàn)該控制碼有效后，應(yīng)發(fā)回一個(gè)狀態(tài)碼給中心控制器，然后以按控制碼規(guī)定的數(shù)目發(fā)送數(shù)據(jù)碼到中心控制器。狀態(tài)碼和數(shù)據(jù)碼之間沒(méi)有碼間間隔的連續(xù)形式發(fā)出。如圖6所示。

當(dāng)從設(shè)備A需要向從設(shè)備B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，中心控制器首先向從設(shè)備B發(fā)出一個(gè)接收控制碼，然后向從設(shè)備A發(fā)出一個(gè)發(fā)送控制碼，從設(shè)備A在校驗(yàn)控制碼有效之后，發(fā)送一個(gè)狀態(tài)碼，然后發(fā)送按照中心控制器控制碼規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)字。狀態(tài)碼和數(shù)據(jù)碼之間沒(méi)有碼間間隔，以連續(xù)形式發(fā)送。從設(shè)備A發(fā)出的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)及遠(yuǎn)從設(shè)備B在接收到規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)碼之后，從設(shè)備B發(fā)出規(guī)定響應(yīng)狀態(tài)字。如圖7所示。

表1：電纜網(wǎng)重量對(duì)比

表2：遙測(cè)參數(shù)初始電平

1.4 地面測(cè)試設(shè)備

由于使用了電力線通信技術(shù)，本遙測(cè)系統(tǒng)的地面測(cè)試設(shè)備也可以通過(guò)供電線纜同時(shí)為箭上系統(tǒng)供電和傳輸信號(hào)，這就使得地面測(cè)試設(shè)備可以進(jìn)行簡(jiǎn)化，供電模塊與數(shù)據(jù)接收模塊合二為一。如圖8所示。

圖8：地面測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)化示意圖

2 應(yīng)用效果

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，將傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改造，在中心控制器、遠(yuǎn)置采集單元等設(shè)備上增加電力線通信模塊，根據(jù)通信協(xié)議重新設(shè)計(jì)軟件，更改電纜網(wǎng)，其他不變，通過(guò)表1可以看出本系統(tǒng)減重效果明顯，電纜網(wǎng)減重約8.72kg。同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，表2為各采集參數(shù)的初始電平。

3 結(jié)論

本方案將電力線通信技術(shù)應(yīng)用于遙測(cè)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間的可靠通信，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)系統(tǒng)的減重目標(biāo)，可以推廣到多型飛行器應(yīng)用。